CN107071258B - 包括可变焦距透镜的成像系统中的色差校正 - Google Patents

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Abstract

一种图像获取系统，被操作为提供相对不受纵向色差影响的图像。所述系统包括被操作为周期性调制聚焦位置的可变焦距透镜(例如可调谐声学梯度折射率透镜)。通过操作照射系统来提供第一波长、第二波长、第三波长等(例如绿色、蓝色、红色等)的选通式照射的实例而提供第一波长图像曝光贡献、第二波长图像曝光贡献、第三波长图像曝光贡献等，其被定时为与在同一聚焦平面处聚焦各个波长图像曝光贡献的周期性调制的聚焦位置的各个相位定时对应。周期性调制的聚焦位置的各个相位定时补偿至少可变焦距透镜的纵向色差。通过组合图像曝光贡献来产生相对不受纵向色差影响的图像。

Description

包括可变焦距透镜的成像系统中的色差校正
技术领域
本公开涉及精准计量，更具体地说，涉及图像获取系统(诸如机器视觉检验系统)。
背景技术
图像获取系统(诸如精准机器视觉检验系统(或简称“视觉系统”))可以用于对象的精准测量并且检验其它对象特性。这些系统可以包括计算机、相机、光学系统以及移动以允许工件横向移动的工作台(stage)。表征为通用“离线”精准视觉系统的一个示范性系统是QUICK
Figure BDA0001114702310000011
系列的基于PC的视觉系统以及可得自位于伊利诺伊州Aurora的Mitutoyo America Corporation(MAC)的
Figure BDA0001114702310000012
软件。QUICK
Figure BDA0001114702310000013
系列的视觉系统和
Figure BDA0001114702310000014
软件的特征和操作通常描述于例如2003年1月出版的QVPAK 3D CNCVision Measuring Machine User’s Guide中，其据此通过其完整引用并入本文。这种类型的系统使用显微镜类型光学系统并且移动台以按各种放大率提供小工件或大工件的检验图像。
在各种应用中，期望进行高速自动聚焦和/或其它操作，以促进对于静止检验系统或不间断移动检验系统中的高吞吐量的高速测量。传统机器视觉检验系统中的自动聚焦和其它要求聚焦的操作的速度受限于相机通过Z高度位置的范围的运动。存在在不损及图像质量和/或图像的尺寸精度的情况下利用高速采集图像的可选方法的改进的自动聚焦和/或其它操作的需要。
发明内容
提供本发明内容以通过简化形式介绍以下在具体实施方式中进一步描述的构思的选择。本发明内容并非意图标识所要求的主题的关键特征，也非意图用于协助确定所要求的主题的范围。
一种图像获取系统，操作为提供相对不受图像获取系统的一个或多个透镜中的纵向色差影响的图像。所述图像获取系统包括成像系统、照射系统以及控制器。所述成像系统包括可变焦距透镜(例如可调谐声学梯度折射率透镜)，其操作为：沿着Z高度方向在多个聚焦位置上周期性调制成像系统的聚焦位置。通过操作照射系统来提供第一波长、第二波长、第三波长等(例如红色、蓝色、绿色等)的选通式照射的实例而提供第一波长图像曝光贡献、第二波长图像曝光贡献、第三波长图像曝光贡献等，其被定时为与在第一聚焦平面处聚焦各个波长图像曝光贡献的周期性调制的聚焦位置的各个相位定时对应。周期性调制的聚焦位置的各个相位定时补偿至少可变焦距透镜的纵向色差。通过组合图像曝光贡献来产生相对不受纵向色差影响的波长组合图像。
附图说明
图1是示出通用精准机器视觉检验系统的各种典型组件的示图；
图2是与图1相似的并且包括在此所公开的特征的机器视觉检验系统的控制系统部和视觉组件部的框图；
图3是可以适用于机器视觉检验系统并且根据在此所公开的原理来操作的图像获取系统的示意图；
图4是图示根据图3的图像获取系统的周期性调制的聚焦位置的用于照射波长相对Z高度的相位定时的时序图的图；
图5是图示用于三个照射波长相对Z高度的相位定时的时序图的图；
图6A和图6B是图示根据用于在公共聚焦平面处聚焦的校准数据所确定的三个波长的选通式照射和对应相位定时的示图；
图7是图示用于确定用于图像获取系统的校准数据的例程的一个示范性实现方式的流程图；以及
图8是图示用于操作图像获取系统以提供相对不受图像获取系统的一个或多个透镜中的纵向色差影响的图像的例程的一个示范性实现方式的流程图。
具体实施方式
图1是可根据在此所公开的原理使用的一个示范性机器视觉检验系统10的框图。机器视觉检验系统10包括视觉测量机器12，其可操作地连接，以与控制计算机系统14并且与监视器或显示器16、打印机18、操纵杆22、键盘24以及鼠标26交换数据和控制信号。监视器或显示器16可以显示适合于对机器视觉检验系统10进行控制和/或编程的用户接口。在各个实现方式中，触摸屏平板等可以替代和/或冗余地提供任何或所有计算机系统14、显示器16、操纵杆22、键盘24和鼠标26的功能。
更一般地，控制计算机系统14可以包括或由任何计算系统或设备和/或分布式计算环境等构成，其中的任一可以包括执行软件以进行在此所描述的功能的一个或多个处理器。处理器包括可编程通用或专用微处理器、可编程控制器、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)等或这些设备的组合。软件可以存储在存储器(诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪速存储器等或这些组件的组合)中。软件也可以存储在一个或多个存储设备(诸如基于光学的盘、闪速存储设备或用于存储数据的任何其它类型的非易失性存储介质)中。软件可以包括包含进行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等的一个或多个程序模块。在分布式计算环境中，可以将程序模块的功能性组合或分布遍及多个计算系统或设备并且通过有线配置或通过无线配置经由服务调用来存取。
视觉测量机器12包括可移动工件台32以及可以包括变焦透镜或可互换透镜的光学成像系统34。变焦透镜或可互换透镜通常对于光学成像系统34所提供的图像提供各种放大率(例如0.5x至100x)。相似的机器视觉检验系统描述于共同受让的美国专利No.7,454,053、7,324,682、8,111,905以及8,111,938中，其中的每一个通过其完整引用并入本文。
图2是与图1的机器视觉检验系统相似的并且包括在此所描述的特征的机器视觉检验系统100的控制系统部120和视觉组件部200的框图。如以下将更详细地描述的那样，利用控制系统部120以控制视觉组件部200。视觉组件部200包括光学组装部205、光源220、230和240以及具有中心透明部212的工件台210。工件台210可沿着位于在通常与可以定位工件20的工作台的表面平行的平面中的x轴和y轴可控地移动。
光学组装部205包括相机系统260、可互换物镜250，并且可以包括具有透镜286和288的转台(turret)透镜组装件280。对于转台透镜组装件替代地，可以包括固定或手动可互换放大率更改透镜或变焦透镜配置等。在各个实现方式中，可以包括各种透镜作为光学组装部205的可变放大率透镜部的部件。在各个实现方式中，可互换物镜250可以选自一组固定放大率物镜(例如范围从0.5x到100x等的组)。
光学组装部205可通过使用可控电机294沿着通常与x轴和y轴正交的z轴可控地移动，可控电机294驱动致动器以沿着z轴移动光学组装部205从而改变工件20的图像的焦点。可控电机294经由信号线路296连接到输入/输出接口130。待使用机器视觉检验系统100成像的工件20或保持多个工件20的托盘或夹具，放置在工件台210上。工件台210可以受控以相对于光学组装部205移动，以便可互换物镜250在工件20上的各方位之间和/或在多个工件20之间移动。
工作台光源220、同轴光源230和表面光源240(例如环形光源)中的一个或多个可以分别发射源光222、232和/或242，以照射一个或多个工件20。同轴光源230可以沿着包括反射镜290的路径发射光232。源光被反射或透射为工件光255，并且用于成像的工件光穿过可互换物镜250和转台透镜组装件280并且由相机系统260聚集。相机系统260所捕获的工件20的图像在信号线路262上输出到控制系统部120。光源220、230和240可以分别通过信号线路或总线221、231和241连接到控制系统部120。控制系统部120可以沿着轴284旋转转台透镜组装件280，以通过信号线路或总线281选择转台透镜，从而更改图像放大率。
如图2所示，在各个示范性实现方式中，控制系统部120包括控制器125、输入/输出接口130、存储器140、工件程序发生器和执行器170以及电源部190。这些组件中的每一个以及下述附加组件可以通过一个或多个数据/控制总线和/或应用编程接口或通过各个元件之间的直接连接而互连。输入/输出接口130包括成像控制接口131、运动控制接口132、光照控制接口133以及透镜控制接口134。透镜控制接口134可以包括包含透镜聚焦操作电路和/或例程等的透镜控制器。在各个实现方式中，透镜控制接口134可以还包括当进行或检测到放大率改变时可以选择或自动地实现的放大率改变调整模式，如2015年7月9日提交的题为“Adaptable Operating Frequency of a Variable Focal Length Lens in anAdjustable Magnification Optical System”的共同待审和共同受让的美国专利申请序列号No.14/795,409中更详细地描述的那样，其据此通过其完整引用并入本文。
在各个实现方式中，根据在此所公开的原理，成像控制接口131可以包括色差校正模式131c，如以下将关于图3-图8更详细地描述的那样。简言之，在一个实现方式中，色差校正模式131c可以利用系统的多级聚焦能力，以通过响应于各个照射源的波长(例如红色、蓝色、绿色等)而调整照射脉冲的相对定时来校正纵向色差。通过组合源自照射脉冲的图像曝光贡献，可以产生相对不受纵向色差影响的图像。
在各个实现方式中，成像控制接口131可以还包括扩展景深模式，如共同待审和共同受让的美国专利公开No.2015/0145980中更详细地描述的那样，其据此通过其完整引用并入本文。扩展景深模式可以由用户选择，以提供工件的至少一个图像(例如合成图像)，该图像具有比当在单个聚焦位置处聚焦时视觉组件部200可以提供的更大的景深。运动控制接口132可以包括位置控制元件132a以及速度/加速度控制元件132b，尽管这些元件可以合并和/或不可区分。光照控制接口133可以包括光照控制元件133a、133n和133fl，其在适当的情况下针对机器视觉检验系统100的各个对应光源控制例如选择、功率、通/断开关以及选通脉冲定时。
存储器140可以包括图像文件存储部141、边沿检测存储部140ed、可以包括一个或多个部件程序等的工件程序存储部142以及视频工具部143。视频工具部143包括：视频工具部143a；以及其它视频工具部(例如143n)，其确定用于对应视频工具中的每一个的GUI、图像处理操作等；以及感兴趣区域(ROI)发生器143roi，其支持定义可在视频工具部143中所包括的各种视频工具中操作的各个ROI的自动、半自动和/或手动操作。视频工具部还包括自动聚焦视频工具143af，其确定用于聚焦高度测量操作的GUI、图像处理操作等。自动聚焦视频工具143af可以附加地包括高速聚焦高度工具，其可以用于以高速度测量聚焦高度，如在共同待审和共同受让的美国专利公开No.2014/0368726中更详细地描述的那样，其据此通过其完整引用并入本文。在各个实现方式中，色差校正模式131c可以用作视频工具(例如自动聚焦视频工具143af、单独的视频工具等)中的一个或多个的一部分或另外包括于其中。
在本公开的上下文中，并且如本领域普通技术人员已知的那样，术语“视频工具”通常指代机器视觉用户可以在不创建视频工具中所包括的逐步操作序列或求助于通用的基于文本的编程语言等的情况下通过相对简单的用户接口(例如图形用户接口、可编辑参数窗口、菜单等)实现的一组相对复杂的自动的或编程的操作。例如，视频工具可以包括通过调整管理操作和计算的少数变量或参数而在特定实例中应用并且定制的一组复杂预编程的图像处理操作和计算。除了底层操作和计算之外，视频工具还包括用户接口，其允许用户针对视频工具的特定实例来调整这些参数。例如，很多机器视觉视频工具允许用户使用鼠标通过简单的“手柄拖动”操作来配置图形感兴趣区域(ROI)指示符，以定义待通过视频工具的特定实例的图像处理操作来分析的图像子集的方位参数。应注意，在隐含地包括底层操作的情况下，可视用户接口特征有时称为视频工具。
工作台光源220、同轴光源230和表面光源240的信号线路或总线221、231和241分别都连接到输入/输出接口130。来自相机系统260的信号线路262和来自可控电机294的信号线路296连接到输入/输出接口130。除了携带图像数据之外，信号线路262可以还携带来自发起图像获取的控制器125的信号。
一个或多个显示设备136(例如图1的显示器16)以及一个或多个输入设备138(例如图1的操纵杆22、键盘24和鼠标26)也可以连接到输入/输出接口130。显示设备136和输入设备138可以用于显示可以包括可用于进行检验操作的各种图形用户界面(GUI)特征的用户界面，和/或创建和/或修改部件程序，观看相机系统260所捕获的图像和/或直接控制视觉系统组件部200。显示设备136可以显示(例如与色差校正模式131c、自动聚焦视频工具143af等关联的)用户接口特征。
在各个示范性实现方式中，当用户利用机器视觉检验系统100创建用于工件20的部件程序时，用户通过在学习模式下操作机器视觉检验系统100以提供期望的图像获取训练序列来生成部件程序指令。例如，训练序列可以包括：在视场(FOV)中定位代表性工件的特定工件特征；设置光等级；聚焦或自动聚焦；获取图像；以及(例如在该工件特征上使用视频工具中的一个或多个的实例)提供应用于图像的检验训练序列。学习模式操作，以便序列得以捕获或记录，并且转换为对应部件程序指令。当执行部件程序时，这些操作将使得机器视觉检验系统再现经训练的图像获取，并且使得检验操作自动地检验关于当前工件(例如运行模式工件)或与在创建部件程序时所使用的代表性工件相似的工件的特定工件特征(其为对应方位中的对应特征)。
图3是可以适用于机器视觉检验系统并且根据在此所公开的原理来操作的图像获取系统300的示意图。图像获取系统300包括：光源330，其可配置为在成像系统300的视场中(例如用选通式或连续波照射)照射工件320；物镜350；镜筒透镜351；中继透镜352；可变焦距透镜(VFL)370；中继透镜386；以及相机系统360。
在各个实现方式中，光源330可以包括第一照射源、第二照射源、第三照射源等作为照射系统的部件。例如，光源330可以操作为：通过操作对应照射源(例如作为光源330的部件的第二照射源)来提供特定波长(例如第二波长)的选通式照射的实例。在各个实现方式中，为了实现正确的色彩平衡，光源330可以是可控的，以便允许独立调整(例如每个均与光源330内的不同照射源对应的)选通式照射的所有实例的强度并且同时调整以控制图像的总体亮度。
在操作中，在图3所示的实施例中，光源330是“同轴”光源，被配置为：沿着包括部分镜390的路径并且通过物镜350将源光332发射到工件320的表面，其中，物镜350接收在工件320附近的聚焦位置FP处聚焦的工件光355，并且将工件光355输出到镜筒透镜351。在其它实施例中，类似的光源可以以非同轴方式照射视场，例如，环形光源可以照射视场。在各个实现方式中，物镜350可以是可互换物镜，并且镜筒透镜351可以被包括作为转台透镜组装件的部件(例如，与图2的可互换物镜250和转台透镜组装件280相似)。在各个实现方式中，物镜350、镜筒透镜351或在此引用的任何其它透镜可以从单独透镜、复合透镜等形成，或连同单独透镜、复合透镜等来操作。镜筒透镜351接收工件光355，并且将其输出到中继透镜352。
中继透镜352接收工件光355，并且将其输出到VFL透镜370。VFL透镜370接收工件光355，并且将其输出到中继透镜386。中继透镜386接收工件光355，并且将其输出到相机系统360。在各个实现方式中，相机系统360可以在图像曝光时段期间捕获工件320的图像，并且可以将图像提供给控制系统部(例如，与图2中的用于将图像提供给控制系统部120的相机系统260的操作相似)。在各个实现方式中，如在先前所并入的’726公开中更详细地描述的那样，相机系统360可以包括具有全域式快门的传感器(即同时对每个像素进行曝光的传感器)。该实施例有利之处在于，其提供用于在没有工件或成像系统300的任何部件的运动的情况下测量图像栈的能力。
VFL透镜370是可通过电子方式控制的，以在一个或多个图像曝光期间变化成像系统的聚焦位置FP。聚焦位置FP可以在聚焦位置FP1和聚焦位置FP2所界定的范围R内移动。应理解，在各个实现方式中，范围R可以由用户选择，或可以源自设计参数，或可以另外被自动地确定。通常，关于图3的示例，应理解，某些所示尺寸可能并非是按比例的。例如，VFL透镜370可以具有与所示尺寸不同的成比例的尺寸(例如，对于某些应用可以是不宽的并且长达50mm长或更长，以提供期望量的透镜倍率(power)等)。
在各个实现方式中，机器视觉检验系统可以包括控制系统(例如图2的控制系统部120)，其可配置为：连同透镜控制器374来操作，或另外控制VFL透镜370，以周期性调制成像系统300的聚焦位置。在一些实现方式中，VFL透镜370可以(例如，周期性，按至少300Hz或3kHz或70kHz或高得多的速率)非常快速地调整或调制聚焦位置。在一个示例实现方式中，范围R可以近似为10mm(例如，对于1x物镜350)。在各个实现方式中，为了改变聚焦位置FP，有利地选取VFL透镜370，以便无需成像系统中的任何肉眼(macroscopic)机械调整和/或物镜350与工件320之间的距离的调整。在这样的情况下，如在先前所并入的'980公开中所描述的那样，可以获取扩展景深图像。此外，在同一成像系统用于获取可以用于精准测量(例如，对于大约几微米或十分之几微米或更小等量级的精度)的固定聚焦检验图像时，不存在使得精度降级的肉眼调整元件或关联定位不可重复性。如先前所并入的’726公开中所描述的那样，也可以利用聚焦位置FP的改变以在工件320附近沿着Z高度方向在多个位置处快速地获取包括多个图像的图像栈。
在各个实现方式中，VFL透镜370可以是可调谐声学梯度折射率(“TAG”)透镜。可调谐声学梯度折射率透镜是在流体介质中使用声波以调制聚焦位置并且可以按几百kHz的频率周期性扫描焦距范围的高速VFL透镜。通过文章“High-speed varifocal imaging witha tunable acoustic gradient index of refraction lens”(Optics Letters,第33卷，第18期，2008年9月15日)的教导可以理解这种透镜，其据此通过其完整引用并入本文。可调谐声学梯度折射率透镜和有关的可控信号发生器例如可得自新泽西州普林斯顿的TAGOptics公司。型号TL2.B.xxx系列透镜例如能够进行高达近似600KHz的调制。
VFL透镜370可以由透镜控制器374驱动，透镜控制器374可以生成信号以操作VFL透镜370。在一个实施例中，透镜控制器374可以是商用的可控信号发生器。在一些实现方式中，透镜控制器374可以由用户和/或操作程序通过成像控制接口131和/或色差校正模块131c和/或透镜控制接口134来配置或控制，如先前关于图2所概述的那样。在一些实现方式中，可以使用周期性信号来操作VFL透镜370，以便以高频率随着时间以正弦方式调制聚焦位置FP。例如，在一些示范性实现方式中，可调谐声学梯度折射率透镜可以被配置用于如400kHz那样高的焦距扫描速率，但应理解，在各个实现方式和/或应用中可以期望较慢的聚焦位置调整和/或调制频率。例如，在各个实现方式中，可以使用300Hz或3kHz或70kHz或250kHz等的周期性调制。在使用较慢的聚焦位置调整的实现方式中，VFL透镜370可以包括可控流体透镜等。
在图3的示例中，中继透镜352和386以及VFL透镜370被指定为包括于4f光学配置中，而中继透镜352和镜筒透镜351被指定为包括于开普勒望远镜配置中，并且镜筒透镜351和物镜350被指定为包括于显微镜配置中。所有所示配置将理解为仅是示范性的，而非限制本公开。作为开普勒望远镜配置的部件，镜筒透镜351的焦距FTUBE图示为距透镜351与352之间的中点近似等距，如中继透镜352的焦距f。在可选实现方式中，可以使得镜筒透镜351的焦距FTUBE与中继透镜352的焦距f(其与4f光学配置的4f之一对应)不同。在可以作为转台透镜组装件的部件而包括镜筒透镜351的各个实现方式中，可以期望转台透镜组装件的其它镜筒透镜在旋转进入操作位置时在相同方位处具有焦点(即，以便与中继透镜352的焦点相遇)。
如在先前所并入的’409申请中更详细地描述的那样，可以利用焦距FTUBE相对焦距f的比率来更改来自中继透镜352的工件光355的准直光束相对于输入到镜筒透镜351的工件光355的准直光束的直径。关于分别输入到镜筒透镜351和输出自中继透镜352的工件光355的准直光束应理解，在各个实现方式中，这些准直光束可以延伸到较长的路径长度中，和/或可以关于这些准直光束利用光束分离器，以用于提供附加光学路径(例如，导向到不同的相机系统等)。
在各个实现方式中，所示的4f光学配置使得在物镜350的傅立叶平面处放置VFL透镜370(例如，其可以是低数值孔径(NA)设备，诸如可调谐声学梯度折射率透镜)。这种配置可以在工件320处保持远心度，并且可以使得比例改变和图像失真最小化(例如，包括：对于工件320和/或聚焦位置FP的每个Z高度提供恒定放大率)。(例如包括镜筒透镜351和中继透镜352的)开普勒望远镜配置可以被包括于显微镜配置与4f光学配置之间，并且可以被配置为：在VFL透镜的方位处提供物镜通光孔径的投影的期望大小，从而使得图像像差最小化等。
应理解，在各个实现方式中，某些类型的尺寸测量可能需要近衍射或衍射受限成像。图3中所示的配置通过限制成像到VFL透镜370中的物镜350的瞳孔的离轴程度来减少像差。在该配置中，径向范围可以在其最低谐振频率fR,MIN处在VFL透镜370(例如可调谐声学梯度折射率透镜)的驻波的折射率分布图中保持为小于1阶贝塞尔环的径向范围，如在先前所并入的’409申请中更详细地描述的那样。以此方式，来自(即，包括物镜350和镜筒透镜351的)显微镜配置的光不超过VFL透镜370的最大通光孔径CAVFL,MAX。在光确实超过最大通光孔径的实现方式中，光可能与可能具有可能增加像差并且减少尺寸测量精准度的不期望的折射率的VFL透镜370的驻波的区域交互。
在各个实现方式中，VFL透镜370和/或系统的其它透镜(例如物镜350等)可以展现各种等级的纵向(例如轴向)色差。如以下将更详细地描述的那样，根据在此所公开的原理，可以利用系统的多级聚焦能力，以通过响应于照射光的波长而调整照射脉冲的相对定时来校正纵向色差。
图4是图示根据图3的图像获取系统的周期性调制的聚焦位置的用于照射波长相对Z高度的相位定时的时序图400的图。通过周期性调制VFL透镜370的焦距来控制周期性调制的聚焦位置，如以上所概述的那样。周期性调制的Z高度表示为正弦曲线410，又称为“Z高度循环”。在各个实现方式中，曲线410的形状可以取决于一系列透镜(例如，物镜350、VFL透镜370等，如图2所示)，对其而言，VFL透镜370的光学倍率经历图4所示的循环并且等于1/f(其中，f＝焦距)。如以下将更详细地描述的那样，可以根据已知原理通过校准(例如，通过重复地使得表面步进到已知的Z高度，然后以手动方式或计算方式确定在已知的Z高度处使图像最佳地聚焦的相位定时，并且将该关系存储在查找表等中)来建立Z高度相对相位定时的关系。
时序图400还定性示出可以如何将示范性波长的选通式照射定时为对应于周期性调制的聚焦位置的各个相位定时(例如φ0、φ1、φ12、φn等)以对各个Z高度(例如zφ0、zφ1、zφ12、zφn等)处所聚焦的图像进行曝光。也就是说，在所示示例中，在数码相机在积分时段期间正获取图像的同时，如果选通脉冲相对于聚焦调制的周期是短的并且是在相位定时φ0时提供的，则聚焦位置将处于高度zφ0处，并且位于高度zφ0处的任何工件表面将在所产生的图像中对焦。应理解，对于时序图400所示的其它示范性相位定时和Z高度，该情况同样成立。
应理解，时序图400中所示的相位定时仅是示范性的，而非限制。更一般地，用户所选择的或控制系统自动地选择的任何相位定时将具有聚焦位置zφ0-zφn的范围内的关联聚焦位置Z高度，其表示聚焦位置的周期性调制的Z高度中的最小Z高度和最大Z高度。还应理解，如果特定相位定时处的一个选通脉冲不足以提供良好曝光的图像，则选通脉冲可以在图像积分时段内在该特定相位定时处重复任何期望数量的周期(例如，如时序图400中的任何示范性相位定时φ0、φ1、φ12的重复实例所示意性示出的那样)。在各个实现方式中，任何数量的这些脉冲(例如一个、几千个等)可以在积分时段中积分。效果将是增加与所产生的图像中的该特定相位定时和/或Z高度对应的图像曝光(例如图像亮度)。作为一个特定示例实现方式，对于以72kHz的频率调制的VFL透镜以及以每秒30帧操作的相机中的成像阵列，单个相机帧获取时间与可变焦距透镜和所得聚焦位置Z高度的2,400个循环对应。应理解，示范性相位定时φ1和φ12示出于Z高度循环的上升斜坡上。在一些实施例中，脉冲也可以在Z高度循环的下降斜坡期间在与相同Z高度对应的积分时段中积分。
图5是图示用于(例如分别与绿色照射、蓝色照射和红色照射对应的)三个照射波长λG、λB和λR相对Z高度的相位定时的时序图500的图。在一个实现方式中，除了如对于三个照射波长λG、λB和λR而非单个示范性照射波长所示之外，时序图500可以看作表示图4中的曲线410所示的聚焦位置的周期性调制的Z高度的水平扩展部分。相位定时φ0至φ35由时序图500中的垂直虚线的相位定时位置表示。由于成像系统的透镜中的一个或多个(例如VLF透镜370)所展现的纵向色差，因此三个波长λG、λB和λR的图具有不同的Z偏移。更具体地说，如以下将关于图6A更详细地描述的那样，如果在单个相位定时的情况下利用(例如包括三个照射波长λG、λB和λR的)白色(宽带)照射，则由于纵向色差，波长λG、λB和λR中的每一个将聚焦在不同的Z高度处。
如图5所示，在Z高度Zi处，照射波长λB具有对应相位定时φ12，照射波长λG具有对应相位定时φ15，照射波长λR具有对应相位定时φ18。这表示：如果要在Z高度Zi处拍摄(例如工件的)图像，则应利用对应相位定时，以便对焦与每个波长对应的每个图像曝光贡献，如以下将关于图6B更详细地描述的那样。由于波长曲线中的每一个之间的Z高度偏移，因此可以对于(例如与各个曲线的最低的峰值和最高的谷值附近的值对应的)测量范围建立“可使用的”最小值和最大值。作为示例，如图5中所示，可以建立最小Z高度Zi-min和最大Z高度Zi-max，对此，照射波长λB具有对应相位定时φ1和φ24，照射波长λG具有对应相位定时φ7和φ27，并且照射波长λR具有对应相位定时φ10和φ33。
如以下将更详细地描述的那样，根据在此所公开的原理，在一个实现方式中，可以利用各个感兴趣区域在校准处理期间获取图像栈。作为关于特定Z高度Zi的示例，作为用于确定与最佳聚焦位置对应的相位定时的处理的部分，可以通过使用与相位定时φ0重合的(在一个或多个周期上的)第一波长λG的一个或多个选通照射脉冲对第一图像进行曝光来获取第一图像栈。在所示示例中，可以相似地使用第一波长λG和相位定时φ1等直到φ35来获取第一图像栈中的第二图像。应理解，图像栈使用各个聚焦位置对视场进行成像，并且通常可以包括使用对应相位定时所获取的在期望的Z高度处的任何期望数量的图像。可以相似地利用第二波长λB来获取第二图像栈，可以相似地利用第三波长λR来获取第三图像栈，依此类推。
如以下将关于图7更详细地描述的那样，可以利用所获取的图像栈，以用于确定校准数据，校准数据使得周期性调制的聚焦位置的相位定时与用于(例如与照射波长λG、λB和λR对应的)第一照射波长、第二照射波长、第三照射波长等的聚焦平面高度或距离有关(例如，与工作台位置ZC有关)。在各个实现方式中，纵向色差可能通常取决于VFL透镜的(例如与Z聚焦位置有关的)倍率。对应地，在各个实现方式中，可以期望横穿VFL透镜的整个扫描范围R(例如，或在一些实例中，较小的期望范围，诸如如上所述的Z高度Zi-min与Zi-max之间的范围)，采集用于所有波长的聚焦数据，并且创建用于整个期望范围的查找表。
在这方面，一旦采集，就可以分析每个图像栈以确定与用于各个Z高度处的各个感兴趣区域的最佳聚焦位置对应的各个相位定时(例如，诸如Z高度Zi处的分别用于照射波长λG、λB和λR的相位定时φ12、φ15和φ18，如图5中所示)。如以下将更详细地描述的那样，可以存储包括与各个波长关联的并且与各个Z高度关联的各个相位定时的校准数据，其中，各个Z高度与各个聚焦平面对应。在各个实现方式中，可以通过以下操作来提供附加校准数据：通过多个Z高度(例如，通过调整工作台位置ZC)来继续调整感兴趣区域的高度，并且对于每个Z高度重复采集和分析各个图像栈以及存储与各个波长关联并且与各个Z高度关联的相位定时。作为特定示例，以下将关于图7更详细地描述用于提供校准数据的例程。
图6A和图6B是图示根据用于在公共聚焦平面处聚焦的校准数据(例如，比如以上关于图5中的Z高度Zi所描述的校准数据)所确定的三个波长λG、λB和λR的选通式照射以及对应相位定时的示图。在图6A的特定示例中，物平面表示为与工作台位置对应ZC＝Zi。如图6A中所示，如果在单个相位定时φ15的情况下利用(例如包括波长λG、λB和λR的)白色(宽带)照射，则第一波长λG示出为焦点对准，而第二波长λB和第三波长λR示出为离开焦点(例如，在相反的各个方向上)。这与图5中对于相位定时φ15所指示的值对应。
如图6B中所示，通过利用存储的校准数据以用于调整用于不同波长λG、λB和λR的相位定时，可以使得各个焦平面重合。更具体地说，可以利用与各个相位定时对应的各个闪烁延迟，以便对于用于第一波长λG的第一照射源利用与相位定时φ15对应的闪烁延迟，对于用于第二波长λB的第二照射源利用与相位定时φ12对应的闪烁延迟，并且对于用于第三波长λR的第三照射源利用与相位定时φ18对应的闪烁延迟。在各个实现方式中，成像系统的相机可以在所有波长图像曝光贡献期间积分，以用于产生相对不受纵向色差影响的波长组合图像。以下将关于图7更详细地描述用于提供校准数据(诸如指示在Z高度Zi以及期望范围内的其它Z高度处的分别用于照射波长λG、λB和λR的各个相位定时φ12、φ15和φ18的校准数据)的例程。
图7是图示用于确定用于图像获取系统的校准数据的例程700的一个示范性实现方式的流程图。在块710，基于光学系统和VFL透镜电子模型而准备粗略Z深度相对照射闪烁延迟映射。在各个实现方式中，闪烁延迟可以定义为距VFL透镜同步脉冲的延迟量，并且可以与可以对应于VFL透镜的Z聚焦位置的VFL透镜的周期性调制的聚焦位置的相位定时对应。如以下将更详细地描述的那样，可以利用粗略映射以在校准期间引导工作台定位和照射闪烁定时。在各个实现方式中，粗略映射可以显著减少每个Z步长处所需的图像栈的所要求的大小(例如闪烁延迟范围)，因此允许校准处理得以更快速地执行。
在块720，将工作台位置ZC设置在VFL透镜的范围R内的第一/下一Z高度步长处。如以下将更详细地描述的那样，通过返回到块720以用于后续迭代，例程按预先选择的步长有效地步进通过VFL透镜的范围R的至少一部分。在各个实现方式中，在Z深度相对闪烁延迟映射可以是非线性的情况下，可以期望响应于Z深度相对闪烁延迟曲线的预期局部斜率而按不同间隔使得Z位置隔开。在各个实现方式中，可以通过确保工作台位置ZC在每个步长处的精度来增加校准的精度。
在块730，将闪烁延迟设置为与当前工作台位置ZC对应的并且对于光学系统在理论上所获得的粗略时间设置FR(例如，如以上关于块710所描述的那样)。在块740，用预先定义的(例如小的)闪烁延迟步长来采集N个图像栈。对于采集图像栈，N表示照射波长的数量(例如，用不同波长/照射源来照射每个栈)，所有栈在粗略闪烁延迟FR处居中，并且工作台位置ZC在每个图像栈捕获期间保持恒定。
在块750，对于每个图像栈i(i＝1至N)，(例如根据图像栈i的聚焦峰值所确定的)最佳聚焦时间延迟FDi得以找到并且存储在Z深度相对闪烁延迟映射数组中(例如，作为ZC相对FD条目)，对此，对于每个ZC值将存在N个FD值(例如，对于每个照射波长有一个闪烁延迟值)。在以上的图5的示例中，对于ZC＝Zi的工作台位置，最佳聚焦时间延迟FDi将与分别指示用于照射波长λG、λB和λR的相位定时φ12、φ15和φ18的校准值对应。在各个实现方式中，可以利用标准自动聚焦方法作为用于确定最佳闪烁延迟的处理的部分。例如，在一个实现方式中，可以在时域中确定对比度峰值内插(例如，可以对于所获取的图像栈确定聚焦峰值)。在一个实现方式中，可以利用整个视场作为自动聚焦感兴趣区域。用于确定并且分析图像栈和聚焦曲线的示范性技术教导于美国专利No.6,542,180中，其为共同受让的并且据此通过其完整引用并入本文。
在判断块760，关于是否已经到达VFL透镜的范围R内的最后Z高度步长进行确定。如果尚未到达范围R内的最后Z高度步长，则例程返回到块720，其中，工作台位置ZC设置在VFL透镜的范围R内的下一Z高度步长处。如果已经到达范围R内的最后Z高度步长，则例程继续到块770，其中，使ZC相对FDi曲线平滑/内插，以提供用于未来VFL透镜控制以及各照射波长之间的相对闪烁定时延迟的精细粒度化查找表。在各个实现方式中，最终查找表可以存储有指定为基准波长的波长之一，并且用于所有其它波长的FDi值可以存储为与用于基准波长的FDi值的时间偏移。在各个实现方式中，可以利用FDi值和/或时间偏移，以调整用于各个波长图像曝光贡献的闪烁定时，从而将所有N个焦平面带到同一Z高度，如以上关于图6B所描述的那样。
图8是图示用于操作图像获取系统以提供相对不受图像获取系统的一个或多个透镜中的纵向色差影响的图像的例程800的一个示范性实现方式的流程图。在块810，VFL透镜操作为：沿着Z高度方向在多个聚焦位置上周期性调制成像系统的聚焦位置。在块820，通过操作照射系统来提供第一波长的选通式照射的实例而提供第一波长图像曝光贡献，其被定时为与在第一聚焦平面处聚焦第一波长图像曝光贡献的周期性调制的聚焦位置的第一相位定时(例如，诸如Z高度Zi处的用于照射波长λG的相位定时φ15，如图6B中所示)对应。
在块830，通过操作照射系统来提供第二波长的选通式照射的实例而提供第二波长图像曝光贡献，其被定时为与补偿至少VFL透镜的纵向色差并且在第一聚焦平面处聚焦第二波长图像曝光贡献的周期性调制的聚焦位置的第二相位定时(例如，诸如Z高度Zi处的用于照射波长λB的相位定时φ12，如图6B中所示)对应。
在块840，通过操作照射系统来提供第三波长的选通式照射的实例而提供第三波长图像曝光贡献，其被定时为与补偿至少VFL透镜的纵向色差并且在第一聚焦平面处聚焦第三波长图像曝光贡献的周期性调制的聚焦位置的第三相位定时(例如，诸如Z高度Zi处的用于照射波长λR的相位定时φ18，如图6B中所示)对应。
在块850，通过组合第一图像曝光贡献、第二图像曝光贡献和第三图像曝光贡献来提供相对不受纵向色差影响的波长组合图像。在一个实现方式中，提供波长组合图像可以包括：在成像系统的检测器的单个图像积分时段期间提供第一图像曝光贡献、第二图像曝光贡献和第三图像曝光贡献。在可选实现方式中，提供波长组合图像可以包括：以计算方式组合成像系统的检测器所提供的第一组图像数据、第二组图像数据和第三组图像数据。在该实现方式中，第一组图像数据可以包括使用第一图像曝光贡献而非第二图像曝光贡献或第三图像曝光贡献所曝光的图像，第二组图像数据可以包括使用第二图像曝光贡献而非第一图像曝光贡献或第三图像曝光贡献所曝光的图像，第三组图像数据可以包括使用第三图像曝光贡献而非第一图像曝光贡献或第二图像曝光贡献所曝光的图像。
在一个实现方式中，第一波长、第二波长和第三波长可以与成像系统中所包括的彩色相机中所使用的三种类型的色彩检测器(例如绿色、蓝色和红色)对应。在各个实现方式中，可以利用不同数量的图像曝光贡献(例如两个、四个、五个等)。在利用附加图像曝光贡献的实现方式中，这可以通过操作照射系统来提供附加波长的选通式照射的实例而提供，其被定时为与补偿至少VFL透镜的纵向色差并且在第一聚焦平面处聚焦附加波长图像曝光贡献的周期性调制的聚焦位置的附加相位定时对应。
应理解，在此所公开的原理可以在各个实现方式中应用于利用不同类型的照射源的系统。例如，所公开的技术可以应用于利用宽波长范围(诸如，组合可见光成像和近红外(NIR)成像而没有焦点偏移(例如多谱图像))的不同系统。作为另一示例，可见光成像可以通过相同光学器件与NIR或UV激光聚焦组合(例如，其中，激光源与可见光成像同步地选通，但具有相移以校正纵向色差)。如上所述，根据在此所公开的原理，可以用具有减少的纵向色差的VFL透镜来实现合成的白色(例如“宽带”)照射，以用于改进的图像质量以及更好的Z和/或X-Y测量精度(例如，用于所测量的工件特征)。对于各种计量应用，利用这种宽带照射可能优于利用窄带(例如单色)照射。在各个实现方式中，用于纵向色差的校正也可以允许利用较便宜的和/或较简单的物镜(例如消色差透镜等)，以用于实现与较昂贵的透镜(例如复消色差透镜等)相当的色差性能。
虽然已经示出并且描述了本公开的优选实现方式，但是基于本公开，所示出和描述的特征的布置和操作的顺序的大量变形对于本领域技术人员将是显然的。各种可选形式可以用于实现在此所公开的原理。此外，上述各个实现方式可以组合，以提供更多实现方式。本说明书中引用的所有美国专利和美国专利申请通过其完整引用并入本文。可以根据需要来修改实现方式的各方面，以采用各个专利和申请的构思来提供其它实现方式。
可以依据以上详细描述对实现方式进行这些和其它改变。通常，在所附权利要求书中，所使用的术语不应理解为将权利要求限制为本说明书和权利要求书中所公开的特定实现方式，而应理解为连同赋予这些权利要求的等效物的完整范围一起包括所有可能的实现方式。

Claims (20)

1.一种用于操作图像获取系统以提供相对不受图像获取系统的一个或多个透镜中的纵向色差影响的图像的方法，所述图像获取系统包括成像系统、照射系统以及控制器，所述成像系统包括可变焦距透镜，所述方法包括：
操作可变焦距透镜，以沿着Z高度方向在多个聚焦位置上周期性调制成像系统的聚焦位置；
通过操作照射系统来提供第一波长的选通式照射的实例而提供第一波长图像曝光贡献，所述第一波长的选通式照射的实例被定时为与在第一聚焦平面处聚焦第一波长图像曝光贡献的周期性调制的聚焦位置的第一相位定时对应；
通过操作照射系统来提供第二波长的选通式照射的实例而提供第二波长图像曝光贡献，所述第二波长的选通式照射的实例被定时为与补偿至少可变焦距透镜的纵向色差并且在第一聚焦平面处聚焦第二波长图像曝光贡献的周期性调制的聚焦位置的第二相位定时对应，其中所述第二波长不同于所述第一波长，并且所述第二相位定时发生在所述第一相位定时之后；以及
通过组合第一波长图像曝光贡献和第二波长图像曝光贡献来提供相对不受纵向色差影响的波长组合图像，其中组合第一波长图像曝光贡献和第二波长图像曝光贡献来提供所述波长组合图像包括：在成像系统的检测器的单个图像积分时段期间提供第一波长图像曝光贡献和第二波长图像曝光贡献二者。
2.如权利要求1所述的方法，其中：
照射系统包括第一照射源和第二照射源；
操作照射系统来提供第一波长的选通式照射的实例包括：操作第一照射源；以及
操作照射系统来提供第二波长的选通式照射的实例包括：操作第二照射源。
3.如权利要求1所述的方法，还包括：通过操作照射系统来提供第三波长的选通式照射的实例而提供第三波长图像曝光贡献，所述第三波长的选通式照射的实例被定时为与补偿至少可变焦距透镜的纵向色差并且在第一聚焦平面处聚焦第三波长图像曝光贡献的周期性调制的聚焦位置的第三相位定时对应。
4.如权利要求3所述的方法，其中，第一波长、第二波长和第三波长与成像系统中所包括的彩色相机中所使用的三种类型的色彩检测器对应。
5.如权利要求3所述的方法，还包括：通过操作照射系统来提供附加波长的选通式照射的实例而提供附加图像曝光贡献，所述附加波长的选通式照射的实例被定时为与补偿至少可变焦距透镜的纵向色差并且在第一聚焦平面处聚焦附加波长图像曝光贡献的周期性调制的聚焦位置的附加相位定时对应。
6.如权利要求1所述的方法，还包括：提供校准数据，其至少部分地：
使得周期性调制的聚焦位置的相位定时与用于第一波长的聚焦平面高度或距离有关；以及
使得周期性调制的聚焦位置的相位定时与用于第二波长的聚焦平面高度或距离有关。
7.如权利要求6所述的方法，其中，基于第一相位定时或第一聚焦平面的高度或距离中的至少一个以及校准数据的至少一部分来确定用于补偿纵向色差的周期性调制的聚焦位置的第二相位定时。
8.如权利要求6所述的方法，其中，提供校准数据包括：
采集包括在各个Z高度处聚焦的各个图像的第一图像栈，其中，使用第一波长的选通式照射的实例对第一图像栈的每个图像进行曝光，所述第一波长的选通式照射的实例被定时为与对应于图像栈内的Z高度的周期性调制的聚焦位置的相位定时对应；
采集包括在各个Z高度处聚焦的各个图像的第二图像栈，其中，使用第二波长的选通式照射的实例对第二图像栈的每个图像进行曝光，所述第二波长的选通式照射的实例被定时为与对应于图像栈内的Z高度的周期性调制的聚焦位置的相位定时对应；
分析第一图像栈，以确定与用于第一Z高度处的第一感兴趣区域的最佳聚焦位置对应的第一相位定时；
分析第二图像栈，以确定与用于所述第一Z高度处的第一感兴趣区域的最佳聚焦位置对应的第二相位定时；以及
存储分别与第一波长和第二波长关联的并且与第一Z高度关联的第一相位定时和第二相位定时作为校准数据，其中，第一Z高度与第一聚焦平面对应。
9.如权利要求8所述的方法，其中，提供校准数据还包括：除了第一Z高度之外，还通过多个Z高度来调整第一感兴趣区域的高度，并且对于每个Z高度重复采集和分析第一图像栈和第二图像栈以及存储与各个第一波长和第二波长关联并且与各个Z高度关联的相位定时。
10.如权利要求1所述的方法，其中，确定补偿纵向色差的周期性调制的聚焦位置的第二相位定时是至少部分地基于以下来进行的：
第一相位定时或与第一相位定时对应的第一聚焦平面的高度或距离中的至少一个；以及
校准数据，其使得周期性调制的聚焦位置的相位定时与用于第二波长的对应聚焦平面高度或距离有关。
11.如权利要求10所述的方法，其中，在包括获取一个或多个图像栈并且确定用于所获取的一个或多个图像栈的一个或多个聚焦峰值的学习模式期间建立校准数据。
12.一种图像获取系统，包括：
成像系统，包括可变焦距透镜，其用于沿着Z高度方向在多个聚焦位置上周期性调制成像系统的聚焦位置；
照射系统；
存储器，用于存储所编程的指令；以及
处理器，被配置为：执行所编程的指令以执行包括以下的操作：
通过操作照射系统来提供第一波长的选通式照射的实例而提供第一波长图像曝光贡献，所述第一波长的选通式照射的实例被定时为与在第一聚焦平面处聚焦第一波长图像曝光贡献的周期性调制的聚焦位置的第一相位定时对应；
通过操作照射系统来提供第二波长的选通式照射的实例而提供第二波长图像曝光贡献，所述第二波长的选通式照射的实例被定时为与补偿至少可变焦距透镜的纵向色差并且在第一聚焦平面处聚焦第二波长图像曝光贡献的周期性调制的聚焦位置的第二相位定时对应，其中所述第二波长不同于所述第一波长，并且所述第二相位定时发生在所述第一相位定时之后；以及
通过组合第一波长图像曝光贡献和第二波长图像曝光贡献来提供相对不受纵向色差影响的波长组合图像，其中组合第一波长图像曝光贡献和第二波长图像曝光贡献来提供所述波长组合图像包括：在成像系统的检测器的单个图像积分时段期间提供第一波长图像曝光贡献和第二波长图像曝光贡献二者。
13.如权利要求12所述的图像获取系统，其中：
照射系统包括第一照射源和第二照射源；
操作照射系统来提供第一波长的选通式照射的实例包括：操作第一照射源；以及
操作照射系统来提供第二波长的选通式照射的实例包括：操作第二照射源。
14.如权利要求12所述的图像获取系统，其中：
通过操作照射系统来提供第三波长的选通式照射的实例而提供第三波长图像曝光贡献，所述第三波长的选通式照射的实例被定时为与补偿至少可变焦距透镜的纵向色差并且在第一聚焦平面处聚焦第三波长图像曝光贡献的周期性调制的聚焦位置的第三相位定时对应；以及
成像系统还包括使用与第一波长、第二波长和第三波长对应的至少三种类型的色彩检测器的彩色相机。
15.如权利要求12所述的图像获取系统，其中所编程的指令被所述处理器执行时还执行包括提供校准数据的操作，提供校准数据至少部分地：
使得周期性调制的聚焦位置的相位定时与用于第一波长的聚焦平面高度或距离有关；以及
使得周期性调制的聚焦位置的相位定时与用于第二波长的聚焦平面高度或距离有关。
16.如权利要求15所述的图像获取系统，其中所编程的指令被所述处理器执行时还执行包括以下的操作：
至少部分地基于第一相位定时或第一聚焦平面的高度或距离中的至少一个以及所述校准数据的至少一部分来确定所述周期性调制的聚焦位置的第二相位定时。
17.如权利要求15所述的图像获取系统，其中所编程的指令被所述处理器执行时还执行包括以下的操作：
在学习模式期间至少部分基于获取一个或多个图像栈以及确定用于所获取的一个或多个图像栈的一个或多个聚焦峰值来确定所述校准数据。
18.一种计算机可读非临时性存储介质，其存储了可由处理器执行以进行以下操作的指令：
操作可变焦距透镜，以沿着Z高度方向在多个聚焦位置上周期性调制成像系统的聚焦位置；
通过操作照射系统来提供第一波长的选通式照射的实例而提供第一波长图像曝光贡献，所述第一波长的选通式照射的实例被定时为与在第一聚焦平面处聚焦第一波长图像曝光贡献的周期性调制的聚焦位置的第一相位定时对应；
通过操作照射系统来提供第二波长的选通式照射的实例而提供第二波长图像曝光贡献，所述第二波长的选通式照射的实例被定时为与补偿至少可变焦距透镜的纵向色差并且在第一聚焦平面处聚焦第二波长图像曝光贡献的周期性调制的聚焦位置的第二相位定时对应，其中所述第二波长不同于所述第一波长，并且所述第二相位定时发生在所述第一相位定时之后；以及
通过组合第一波长图像曝光贡献和第二波长图像曝光贡献来提供相对不受纵向色差影响的波长组合图像，其中组合第一波长图像曝光贡献和第二波长图像曝光贡献来提供所述波长组合图像包括：在成像系统的检测器的单个图像积分时段期间提供第一波长图像曝光贡献和第二波长图像曝光贡献二者。
19.如权利要求18所述的计算机可读非临时性存储介质，其中，至少部分地基于第一相位定时或第一聚焦平面的高度中的至少一个以及校准数据来确定补偿纵向色差的周期性调制的聚焦位置的第二相位定时。
20.如权利要求19所述的计算机可读非临时性存储介质，其中，当指令被处理器执行时还执行包括以下的操作：在学习模式期间至少部分基于获取一个或多个图像栈以及确定用于所获取的一个或多个图像栈的一个或多个聚焦峰值来确定所述校准数据。
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